一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数在线测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，其通过对信号发射端和接收端的信号载波幅值、无线电能系统的结构参数的运算处理，在不增加额外硬件成本的情况下，实现了无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量。本发明专利技术可以有效解决外界因素导致耦合线圈互感系数变化所引发的系统工作点偏移问题，即通过对互感系数的在线实时测量，并结合控制器自动控制，可实现耦合线圈位置的自动调整以及无线电能传输系统的输出闭环控制。本发明专利技术可应用于无线电能传输系统的金属异物检测，相比于传统的平衡线圈金属检测技术，本发明专利技术没有在耦合线圈之间引入额外线圈或硬件设备，降低硬件设计难度，提高了检测可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法。
技术介绍
近年来无线电能传输作为替代有线输电的一种新型输电方式，在移动设备、植入医疗设备以及电动汽车等领域得到广泛应用。无线电能传输不仅避免了有线输电方式存在的电线摩擦、老化、插座接插等问题，同时还可以满足一些特殊应用场合的需要，如植入医疗设备的充电。医疗设备的充电。目前，投入应用的无线电能传输主要有两种方式：电磁感应耦合方式和磁共振耦合方式。在电磁感应耦合式无线电能传输系统中，原、副边耦合线圈的互感系数变化对输出功率、传输效率会产生直接影响。在传统的无线电能传输系统中并没有对耦合线圈互感系数进行在线监测、测量的设备和方法，当系统长时间运行或受到外界震动等影响导致耦合线圈的互感系数发生变化时，系统会偏离最佳工作点。因此，实现互感系数的在线测量可以直接用于耦合线圈位置自动调整和无线电能传输系统的输出闭环控制。此外，耦合线圈之间的金属异物检测是无线电能传输系统实际应用中的一项技术难题。当无线电能传输系统耦合线圈之间混入金属时，由于涡流效应，金属中会感应出涡流并急剧升温，导致安全事故。传统的平衡线圈金属检测技术，引入一对平衡接收线圈，通过检测两线圈之间的感应电势差来判断是否存在金属异物。但这种方式在耦合线圈之间有限的空间内引入额外探测线圈，增加了系统的设计难度；同时，该方法对平衡线圈的放置位置要求苛刻，系统的震动、耦合线圈位置的变化都会导致该测量方法精度降低。基于耦合线圈间混入金属异物后会改变耦合线圈的互感系数这一原理，互感系数的在线测量亦可以用于无线电能传输系统中的金属异物检测。公开号为CN103595145A的中国专利提出了一种基于公共电感耦合实现高速通信和无线能量传输的系统，该系统通过在原、副边谐振回路耦合通讯模块，实现了共用无线电能传输系统耦合线圈的能量和信号复合传输，即无需引入额外通信信道或线圈，便实现了通信信号双向传输。该系统架构为原、副边耦合线圈的互感系数的在线测量方法提供了硬件基础。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，能够实现对耦合线圈互感系数的在线实时测量，适用于耦合线圈位置自动调整、无线电能传输系统的输出闭环控制以及金属异物检测等应用。一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，所述的无线电能传输系统包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元与副边受电单元通过耦合线圈实现电能传输；所述原边供电单元由直流电源、逆变电路以及原边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈原边相连，所述副边受电单元由负载、整流电路以及副边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈副边相连；所述在线测量方法的具体实现过程如下：首先，利用通讯信号发射模块通过磁接口与副边谐振回路耦合，使所述通讯信号发射模块产生载波幅值为Vt的通讯信号A叠加至副边受电单元的功率载波上，且所述通讯信号A与功率载波基于不同的传输频率；加载有通讯信号A的功率载波通过耦合线圈传输至原边供电单元后，利用通讯信号接收模块通过磁接口与原边谐振回路耦合以对该功率载波进行滤波，得到经耦合传输衰减后载波幅值为Vr的通讯信号A'；最后，利用原边控制模块对通讯信号A'的载波幅值Vr进行采样，并结合耦合线圈、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到耦合线圈的互感系数。所述的通讯信号发射模块包括载波信号发生器、信号开关S1、电阻Rt、电容Ct和电感Lt4；其中，载波信号发生器的正极与电阻Rt的一端相连，电阻Rt的另一端与电感Lt4的同名端相连，电感Lt4的异名端与电容Ct的一端相连，电容Ct的另一端与信号开关S1的一端相连，开关S1的另一端与载波信号发生器的负极相连，所述电感Lt4与副边谐振回路耦合，信号开关S1的控制端接副边控制模块提供的开关信号；所述载波信号发生器与信号开关S1组成作为调制器，所述电阻Rt、电容Ct和电感Lt4组成作为发射选频器。所述调制器采用ASK(幅移键控)或PSK(相移键控)的调制方式。所述通讯信号接收模块由解调器、电阻Rr、电容Cr和电感Lr3并联组成，所述电感Lr3与原边谐振回路耦合，所述电阻Rr、电容Cr和电感Lr3组成作为接收选频器。所述的磁接口采用耦合电感或变压器。所述的副边控制模块通过调制器将关于载波幅值Vt的信息调制至通讯信号A中，所述的解调器对通讯信号A'进行解调得到载波幅值Vt并将其发送给原边控制模块。所述原边控制模块通过以下公式计算耦合线圈的互感系数：其中：M为耦合线圈的互感系数，ωd为通讯信号A的载波角频率，Rr为通讯信号接收模块中电阻Rr的电阻值，Rt为通讯信号发射模块中电阻Rt的电阻值，Lt4为通讯信号发射模块中电感Lt4的电感值，L1和L2分别为耦合线圈的原边电感值和副边电感值。对于所述无线电能传输系统原副边谐振回路类型可以为原边串联补偿-副边串联补偿、原边串联补偿-副边并联补偿、原边并联补偿-副边串联补偿、原边并联补偿-副边并联补偿，互感系数的计算方法均相同。本专利技术的有益技术效果在于：(1)本专利技术基于无线能量、信号复合传输系统，通过对信号发射端和接收端的信号载波幅值、无线电能系统的结构参数的运算处理，在不增加额外硬件成本的情况下，实现了无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量。(2)本专利技术可以有效解决外界因素导致耦合线圈互感系数变化所引发的系统工作点偏移问题，即通过对互感系数的在线实时测量，并结合控制器自动控制，可实现耦合线圈位置的自动调整以及无线电能传输系统的输出闭环控制。(3)本专利技术可应用于无线电能传输系统的金属异物检测，相比于传统的平衡线圈金属检测技术，本专利技术没有在耦合线圈之间引入额外线圈或硬件设备，降低硬件设计难度，提高了检测可靠性。附图说明图1为本专利技术无线电能传输互感系数在线测量系统的结构示意图。图2为本专利技术无线电能传输互感系数在线测量系统的电路原理图。图3(a)为互感系数M＝20uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。图3(b)为互感系数M＝20uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。图4(a)为互感系数M＝30uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。图4(b)为互感系数M＝30uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。图5(a)为互感系数M＝40uH下通讯信号发射模块发射的通讯信号波形图。图5(b)为互感系数M＝40uH下通讯信号接收模块接收的通讯信号波形图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的测量方法进行详细说明。如图1所示，本专利技术无线电能传输互感系数在线测量系统，包括原边和副边；原边包括电源、逆变电路和原边谐振回路、通讯信号接收模块、原边控制模块，副边包括整流电路和副边谐振回路、通讯信号发送模块、副边控制模块、负载。电能由电源供给，依次经过逆变电路、原边谐振回路、副边谐振回路、整流电路，到达负载，实现无线电能传输；通讯信号由通讯信号发射模块发出，经由副边谐振回路、原边谐振回路，到达通讯信号接收模块，实现无线信号传输；电能和通讯信号的传输共用了原边谐振回路和副边谐振回路中的耦合线圈，实现无线电能、信号的复合传输。如图2所示，本实施方式中逆变电路结构为全桥变换器，其控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，所述的无线电能传输系统包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元与副边受电单元通过耦合线圈实现电能传输；所述原边供电单元由直流电源、逆变电路以及原边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈原边相连，所述副边受电单元由负载、整流电路以及副边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈副边相连；其特征在于，所述在线测量方法的具体实现过程如下：首先，利用通讯信号发射模块通过磁接口与副边谐振回路耦合，使所述通讯信号发射模块产生载波幅值为Vt的通讯信号A叠加至副边受电单元的功率载波上，且所述通讯信号A与功率载波基于不同的传输频率；加载有通讯信号A的功率载波通过耦合线圈传输至原边供电单元后，利用通讯信号接收模块通过磁接口与原边谐振回路耦合以对该功率载波进行滤波，得到经耦合传输衰减后载波幅值为Vr的通讯信号A'；最后，利用原边控制模块对通讯信号A'的载波幅值Vr进行采样，并结合耦合线圈、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到耦合线圈的互感系数。

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，所述的无线电能传输系统包括原边供电单元和副边受电单元，原边供电单元与副边受电单元通过耦合线圈实现电能传输；所述原边供电单元由直流电源、逆变电路以及原边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈原边相连，所述副边受电单元由负载、整流电路以及副边谐振回路依次连接组成后与耦合线圈副边相连；其特征在于，所述在线测量方法的具体实现过程如下：首先，利用通讯信号发射模块通过磁接口与副边谐振回路耦合，使所述通讯信号发射模块产生载波幅值为Vt的通讯信号A叠加至副边受电单元的功率载波上，且所述通讯信号A与功率载波基于不同的传输频率；加载有通讯信号A的功率载波通过耦合线圈传输至原边供电单元后，利用通讯信号接收模块通过磁接口与原边谐振回路耦合以对该功率载波进行滤波，得到经耦合传输衰减后载波幅值为Vr的通讯信号A'；最后，利用原边控制模块对通讯信号A'的载波幅值Vr进行采样，并结合耦合线圈、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到耦合线圈的互感系数。2.根据权利要求1所述的在线测量方法，其特征在于：所述的通讯信号发射模块包括载波信号发生器、信号开关S1、电阻Rt、电容Ct和电感Lt4；其中，载波信号发生器的正极与电阻Rt的一端相连，电阻Rt的另一端与电感Lt4的同名端相连，电感Lt4的异名端与电容Ct的一端相连，电容Ct的另一端与信号开关S1的一端相连，开关S1的另一端与载波信号发生器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建德，钱中南，朱越，王睿驰，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33